Motorerwärmung minimieren mit High-Speed-Umrichtern Coole Performance in nachhaltigen Applikationen

Anbieter zum Thema

SIEB & MEYER AG

FAULHABER SA

Eine möglichst geringe Motorerwärmung ist das A und O beim Betrieb von Hoch­geschwindigkeitsmotoren. Frequenzumrichter aus der SD4x-Produktfamilie von Sieb & Meyer reduzieren umrichterbedingte Motorverluste auf ein Minimum. Daraus resultieren eine geringere Motorerwärmung und ein verbesserter Systemwirkungsgrad.

Etwa 90% der Leistungsverluste, die durch den Frequenzumrichter verursacht werden, treten im Rotor auf und können dort zu einer schädlichen Erwärmung des Motors führen. Dieses Temperaturproblem wird durch das naturgemäss geringe Volumen des Rotors in Hochgeschwindigkeitsmotoren zusätzlich verschärft. Genau diese Herausforderung hatte Sieb & Meyer bei der Entwicklung ihrer SD4x-Produktfamilie im Blick. Durch geeignete Regelungsverfahren und eine durchdachte Topologie ermöglichen die High-­Speed-Umrichter der Lüneburger Hochgeschwindigkeitsspezialisten Motorströme mit minimalen harmonischen Frequenzanteilen. Verglichen mit Wettbewerbsprodukten sind die Verluste um bis zu 90% reduziert, was zu einer entsprechenden Verringerung der Motorerwärmung führt. Die geringeren Temperaturen verlängern wiederum die Lebensdauer der typischerweise bei Bearbeitungsspindeln zum Einsatz kommenden Kugel­lager und verbessern die Bearbeitungsqualität.

Das Ziel: Die perfekte Sinuskurve

Doch wie genau lässt sich der Motorstrom in der gewünscht hohen Qualität erzeugen? «Dazu muss man wissen, dass alle Ströme, die von der idealen Sinusform abweichen, Verluste im Motor erzeugen», erläutert Torsten Blankenburg, Technikvorstand der Sieb & Meyer AG. «Dieser Motorstromanteil wird durch den Umrichter erzeugt und stellt sich als sogenannter Rippelstrom dar, der den sinusförmigen Motorstrom überlagert.» Der auftretende Rippelstrom hängt massgeblich von der Schaltfrequenz, der Umrichter-DC-Spannung und vor allem von der Motorinduktivität ab. Geringe Induktivitäten verursachen erhebliche Rippelströme. Das ist besonders bei schnelllaufenden Synchronmotoren problematisch, da diese naturgemäss niedrige Induktivitäten aufweisen. Die resultierende Rotorerwärmung kann enorme Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete und die Lagerung haben. Besonders bei hohen Nenndrehzahlen des Motors manifestieren sich diese Probleme.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Als eine Gegenmassnahme wird bei Standard-­Umrichtern mit Zwei-Level-Puls-­Weiten-Modulation (PWM) und niedriger Schaltfrequenz oft auf LC-Filter zurückgegriffen. Diese massgeschneiderten Lösungen basieren auf passiven elektronischen Komponenten und erlauben entweder die Dämpfung der Schaltflanken des ausgegebenen Pulsmusters durch du/dt-Filter oder sogar die Annäherung an sinusförmige Motorspannungen und Ströme. Der Einsatz von LC-Filtern geht jedoch mit zusätzlichen Kosten, erhöhtem Platzbedarf, zusätzlichem Gewicht und Wirkungsgradverlusten einher. Zudem kostet die vorab erforderliche Auslegung der Filter für die spezifische Applikation Zeit und Flexibilität.

Die Lösung: Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung

Eine weitere Option besteht darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Dabei gilt die Faustregel, dass eine Verdoppelung der Frequenz den Rippelstrom um die Hälfte reduziert. Dieser Möglichkeit sind allerdings technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zum einen sind hochfrequente Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich kostspieliger. Zum anderen steigen die Schaltverluste in der Endstufe drastisch an, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und Kühlungsaufwand auswirkt. Zudem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Erhöhung der Schaltfrequenz. In bestimmten Fällen, insbesondere bei Synchronmotoren ohne Segmentierung der Permanentmagnete, führt eine Frequenzerhöhung baubedingt nur zu marginalen Verbesserungen der Motorverluste.

Alternativ kann die Drei-Level-Technologie eingesetzt werden, die beispielsweise im SD4M von Sieb & Meyer implementiert ist. Die Leistungshalbleiter der Endstufen werden dabei im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit der Hälfte der Spannung beaufschlagt. Dies ermöglicht den Einsatz von Leistungshalbleitern, die für niedrigere Spannungen ausgelegt sind und somit (technologiebedingt) schneller schalten können. Das Ergebnis: In der Endstufe treten weniger Schaltverluste auf, und die Schaltfrequenz lässt sich erheblich steigern. Gleichzeitig wird der Motor im Vergleich zur Zwei-Level-­Technologie nur mit 50% der Spannungssprünge belastet. Durch den Einsatz der Drei-Level-Technologie lassen sich die im Rotor auftretenden Verluste um etwa 75% verringern. Bei kombinierter Anwendung von Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenz­erhöhung können die Rotorverluste sogar um bis zu 90% reduziert werden, was LC-Filter in vielen Fällen überflüssig macht.

Verbesserte Effizienz von klimafreundlichen Applikationen

Wie sich der Einsatz der Frequenzumrichter von Sieb & Meyer in der Praxis auf Effizienz, Wirkungsgrad, CO₂-Emissionen und Kosten auswirkt, zeigt unter anderem das Beispiel einer Abwasseraufbereitungsanlage, die mit Turboverdichtern oder Turbokompressoren belüftet wird. Die Hauptcharakteristik dieser Anwendung ist der Rund-um-die-Uhr-Betrieb der Verdichter bzw. Kompressoren an 365 Tagen im Jahr. Entsprechend ist die Anlagen­effizienz ein wichtiges Thema, eine möglichst geringe Motorerwärmung die grosse Herausforderung. Sieb & Meyer löst diese Anfor­derungen mit seinem SD4M mit Multilevel-­Endstufe. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Turboverdichter bzw. -kompressoren um mehrere Prozentpunkte erhöht werden.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für die SD4M-Serie von Sieb & Meyer sind Schnellladelösungen für Regionen mit schwacher Netzstruktur. Die Schnellladestation arbeitet in Verbindung mit einem Schwungmassenspeicher, auch Flywheel genannt, der die zum Laden des Elektro-Fahrzeugs benötigte Energie bereitstellt und zwischen den Ladevorgängen erneut Energie speichern kann.

Die grosse Herausforderung dieser Anwendung ist das Hochvakuum, unter dem der Rotor des Flywheels arbeitet. Durch dessen hohe Isolationswirkung kann die Wärmeabfuhr ausschliesslich über Strahlungswärme erfolgen. Darüber hinaus handelt es sich um ein magnetgelagertes, sprich kontaktloses System, sodass die Rotorwärme nicht über die Lagerung ausgeschleust werden kann. «Das heisst, dieses System benötigt die geringstmögliche Erwärmung, damit es überhaupt vernünftig arbeiten kann», fasst Torsten Blankenburg zusammen. «Unsere Frequenzumrichter produzieren ein Minimum an Wärme, sodass sie solche Anwendungen optimal unterstützen beziehungsweise zum Teil überhaupt erst möglich machen.»

Optimierte Regelung von IPM-Motoren

Zu den Talenten der SD4x-Familie gehört auch die optimierte Regelung von IPM-­Motoren. IPM-Motoren stellen deutlich höhere Anforderungen an den Frequenzumrichter. So muss der Stromwinkel in Abhängigkeit des Betriebspunktes optimal in die Maschine eingeprägt werden, um in jedem Betriebspunkt das maximal mögliche Drehmoment herauszuholen. Für einen optimalen Wirkungsgrad ist darüber hinaus die Abhängigkeit der Motorinduktivität von Strom und Frequenz zu berücksichtigen. Die SD4x-­Frequenzumrichter können die beschriebenen Abhängigkeiten durch spezielle Regelstrukturen genau erfassen und im jeweiligen Arbeitspunkt optimal regeln, sodass sich immer das optimale Moment bei gleichzeitig geringstem Motorstrom ergibt. Das minimiert die Verluste im Motor und Umrichter, verbessert die Energiebilanz und reduziert die CO₂-Emissionen.

SD4x: Entwicklungsplattform für eine zukunftsfähige Geräteserie

Bereits vor einiger Zeit hat Sieb & Meyer die Entwicklungsplattform SD4x vorgestellt, auf deren Basis das Unternehmen nun kontinuierlich eine zukunftsfähige Geräteserie entwickelt. Die Frequenzumrichter unterstützen neue Schnittstellen und bieten eine Reihe von zusätzlichen Funktionen. Anwender profitieren von höheren Drehzahlen und einer deutlich verbesserten Performance. SD4x-­Umrichter können dank eines integrierten Lagereglers jetzt auch eigenständige hochgenaue Positionierungen durchführen; Drehzahl- und Stromregler bleiben gegenüber der etablierten SD2x-Reihe konstant.

«Unser Ziel ist es, hochdrehende Motoren dynamisch und mit noch weniger Verlustleistung anzutreiben», so Blankenburg. «Deshalb unterstützen wir nun auch PWM-Schaltfrequenzen von 24 und 32 kHz.» Für eine noch feinere Modulierung des sinusförmigen Signals ist eine Kommutierungswinkel-Steuerung nun auch für 32, 48 und 64 kHz integriert. Dadurch ergibt sich ein nahezu optimaler Sinus und es treten so gut wie keine harmonischen Ströme mehr auf. Die durch die PWM verursachte Verlustleistung kann auf ein Bruchteil minimiert werden.

«Die optimierte Performance, höhere Drehzahlen sowie die geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter – das sind die wesentlichen Vorteile der SD4x-Produktfamilie», fasst Blankenburg zusammen. «Die Verbesserungen ermöglichen es, die Produktionsqualität bestehender Anwendungen zu optimieren und darüber hinaus ganz neue Einsatzbereiche zu erschliessen.»

(ID:50045365)